一體化直驅(qū)電機驅(qū)動器的設(shè)計及實現(xiàn)

作為工業(yè)生產(chǎn)線基礎(chǔ)的傳動設(shè)備，一般都采用“交流電動機+機械減速機構(gòu)”的方式來驅(qū)動,簡單適用且價格低廉。但是今天，由機械減速機構(gòu)帶來的不利影響，如齒輪箱等的油污泄漏、機械磨損及日常維護(hù)等，正在引起人們的關(guān)注，特別是在食品、衛(wèi)生、制藥等行業(yè)。一種采用低轉(zhuǎn)速、大力矩?zé)o刷直流電機的直驅(qū)電機，取代了機械減速機構(gòu)，將電機與傳動目標(biāo)直接耦合，在系統(tǒng)性能和成本上具有更多的競爭優(yōu)勢。

驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

與交流感應(yīng)電動機相比，作為無刷直流電動機的直驅(qū)電機由于電動機轉(zhuǎn)子的特殊結(jié)構(gòu)，需要特別的驅(qū)動器才能運行，驅(qū)動器的電氣結(jié)構(gòu)如圖1所示。

F1: 直驅(qū)電機驅(qū)動器的電氣結(jié)構(gòu)

輔助電源將交流電源轉(zhuǎn)化為+5/15V直流電源，提供給系統(tǒng)及智能功率模塊使用；用戶接口提供了一個驅(qū)動系統(tǒng)與操作者的溝通渠道，操作者通過它來調(diào)節(jié)電機的運行速度和方向，同時電機及驅(qū)動器的工作狀態(tài)也通過它傳遞給操作者；霍爾傳感器作為位置傳感器，將無刷直流電動機轉(zhuǎn)子的物理位置信息提供給控制核心；控制核心通過智能功率模塊(IPM)將電力以合適的方式傳遞給電機，控制電機的運行方向和速度；系統(tǒng)同時也檢測輸入電壓、電機的負(fù)載電流和驅(qū)動器的工作溫度，獲得電機的工作環(huán)境和工作狀態(tài)，這些將參與電動機的控制并且在必要時將系統(tǒng)切換到保護(hù)狀態(tài)，使系統(tǒng)有更高的可靠性。驅(qū)動器的設(shè)計將滿足如下目標(biāo)：

1）小型化 由于一體化直驅(qū)電機的產(chǎn)品目標(biāo)是將電機與電機驅(qū)動器合為一體，驅(qū)動器的體積和散熱是首要的考慮焦點；

2）可靠性 一體化的直驅(qū)電機將面對嚴(yán)酷的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的挑戰(zhàn)，產(chǎn)品可靠性在設(shè)計之初就應(yīng)該給予充分的重視；

3）人性化 一體化直驅(qū)電機的操作者主要是工廠現(xiàn)場的工人，因此它的用戶接口設(shè)計將更多地考慮人性化和簡單化。

硬件設(shè)計

控制核心 采用Atmel公司的ATmega88 MCU與 Lattice公司的M4A5 CPLD。

1） Mega88內(nèi)置高精度8MHZ RC振蕩器，在-40℃～80℃溫度范圍，其變化在±2.5%內(nèi)。RC振蕩器以其非常簡單的結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的目標(biāo)應(yīng)用提供了適用、廉價、高可靠性的時鐘源；

2） 512B的EEPROM為許多用戶參數(shù)的設(shè)置提供了保存的空間，電機表現(xiàn)為具有記憶功能。就速度設(shè)置而言，省略了通過電位器來進(jìn)行設(shè)置和記憶的方式，而采用較簡單的按鍵開關(guān)；

3） 六通道PWM方便了電機速度控制的調(diào)節(jié)，特別是它的16位定時器/計數(shù)器1，具有雙緩沖的輸出比較寄存器，驅(qū)動器用它來產(chǎn)生無干擾脈沖、相位正確的可變頻率的PWM。直驅(qū)電機驅(qū)動器采用120°驅(qū)動方式，不需要PWM的互補輸出結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)用CPLD構(gòu)建六路PWM輸出信號互鎖，用硬件方式保證IPM的同一橋臂不會直接導(dǎo)通；MCU根據(jù)霍爾傳感器提供的轉(zhuǎn)子位置信息將PWM信號進(jìn)行切換和分配，驅(qū)動IPM；

4） 8路10位ADC方便了對電機的工作電壓、負(fù)載電流和工作溫度的數(shù)據(jù)采集，MCU內(nèi)置的1.1V能隙電壓基準(zhǔn)的使用，使驅(qū)動器在嚴(yán)酷工作環(huán)境運行的同時，還能隨時修正ADC結(jié)果，保證較高的系統(tǒng)精度；

5） 用CPLD來構(gòu)建控制系統(tǒng)所需要的邏輯電路，除了對IPM的PWN驅(qū)動信號進(jìn)行切換、分配和互鎖外，還將IPM的過流保護(hù)信號進(jìn)行鎖存，以單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)的方式封鎖IPM的驅(qū)動信號，并將過流信息傳遞給MCU，使系統(tǒng)安全進(jìn)入故障保護(hù)狀態(tài)；在系統(tǒng)上電過程中，系統(tǒng)的直流母線處于軟啟動階段，以保證較大的電源濾波電解電容在充電過程中不會對前端的整流器件造成損壞，在這一階段，CPLD將禁止IPM的輸出以免過大的電機工作電流損壞軟啟動電路；而CPLD的在線編程(ISP)特性，也使得系統(tǒng)在開發(fā)和生產(chǎn)部署時更為靈活。

輔助電源 采用PI公司TinySwitch-Ⅲ系列TNY275構(gòu)成的反激式開關(guān)電源，將由AC220V輸入得到DC310V直流電變換為15V直流電，主要供給IPM和軟啟動電路中的繼電器。15V再經(jīng)過MC34063DC/DC降壓變換為5V，供控制系統(tǒng)使用。輔助電源的獲得都是通過開關(guān)變換的方式進(jìn)行，在提高電源效率、降低熱損耗的同時，也有效地減少了驅(qū)動器的體積。

IPM接口 同樣是出于小型化和可靠性的需求，設(shè)計中選用Sanken公司450V/15A的IPM SMM1003。(1)IPM采用高電平驅(qū)動接口，內(nèi)置了下拉電阻，以保證系統(tǒng)在上電/掉電等不確定狀態(tài)下的可靠性；由CPLD輸出的PWM驅(qū)動信號經(jīng)R23～R28(100Ω)和C17～C22(470Pf)組成的濾波器濾波后驅(qū)動IPM，可以提高電力電子部分的抗擾性。由濾波器帶來的驅(qū)動信號時間延遲為0.05us左右,相對于4～8KHZ的電力載頻、125～250us的載波周期而言，是可以忽略不計的；(2) IPM內(nèi)置的分流電阻作為電流傳感器用來檢測流過IPM的電流，這一電流信息與電動機的工作電流有對應(yīng)關(guān)系，被放大后提供給控制核心，用來控制系統(tǒng)的輸出功率級別，同時檢測電動機的負(fù)載大小，判斷電機的工作狀態(tài)。當(dāng)電流值大于保護(hù)極限時，IPM將被觸發(fā)進(jìn)入過流保護(hù)狀態(tài)，關(guān)斷所有IGBT。

用戶接口 驅(qū)動器的用戶接口分為近端接口和遠(yuǎn)端接口。速度調(diào)節(jié)按鍵K2和工作狀態(tài)顯示LED為近端接口，位于電機的驅(qū)動器上，相對而言，它們的工作環(huán)境要好一些，直接使用電平驅(qū)動方式；而電機的正反轉(zhuǎn)和啟動/停止控制可能需要頻繁地操作，有可能需要在離電機較遠(yuǎn)而離操作者較近的控制臺加以控制，屬于遠(yuǎn)端控制，這些控制信號將面臨更多的現(xiàn)場干擾，選用電流驅(qū)動方式可以有效地提高信號的可靠性。微控制器的PD0端口上4.7kΩ的上拉電阻使PC817光耦的輸出三極管飽和電流值被設(shè)定在1mA左右。當(dāng)遠(yuǎn)端開關(guān)K1閉合時，在開關(guān)回路中需要流過大于0.5mA的電流(與光耦的電流傳輸比CTR有關(guān))，PD0端口才會被拉低，而這種級別的無線耦合干擾即使在工業(yè)現(xiàn)場也是很少的，上拉電阻越小，上拉強度越強，相當(dāng)于遠(yuǎn)端輸入回路的輸入阻抗越小，這種遠(yuǎn)端接口的抗干擾能力也就越強 。

系統(tǒng)保護(hù) 系統(tǒng)通過檢測電網(wǎng)電壓實現(xiàn)過電壓/欠電壓保護(hù)。由于電機是感性負(fù)載，IPM的開關(guān)動作將引發(fā)由電感負(fù)載引起的較高開關(guān)關(guān)斷毛刺電壓。而在電網(wǎng)過電壓時，這種毛刺電壓加上直流母線電壓可能會非常高，以至于對IPM造成損壞；欠電壓有可能會使15V輔助電源不穩(wěn)定，影響IPM的正常工作。因此，在過電壓/欠電壓時退出工作狀態(tài)是必要的。

無刷直流電機的轉(zhuǎn)子為永磁體結(jié)構(gòu)，在過大的外加磁場作用下有可能會被退磁而損壞，必要的極限電流限制可以有效規(guī)避這一風(fēng)險?？刂破魍ㄟ^密切監(jiān)視系統(tǒng)電流，及時地調(diào)節(jié)PWM的占空比，使電機工作在安全的工作范圍。

由于應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境，當(dāng)使用環(huán)境溫度較高或電機工作環(huán)境通風(fēng)散熱不暢時，較高的工作溫度對驅(qū)動器的電子元器件特別是自身也產(chǎn)生較多熱量的IPM極為不利，檢測驅(qū)動器的工作溫度是必需的。當(dāng)系統(tǒng)檢測到高于80℃的散熱器溫度時，驅(qū)動器會切換到過熱保護(hù)模。

F2: IPM采用高電平驅(qū)動接口，內(nèi)置了下拉電阻

F3: 微控制器的PD0端口上設(shè)有4.7kΩ的上拉電阻

軟件設(shè)計

智能PI速度控制 一體化直驅(qū)電機通過霍爾傳感器獲得定子驅(qū)動的換相信號，對換相信號的時間間隔進(jìn)行測量和數(shù)字濾波，可以得到電機的平均速度。與直流有刷電動機一樣，調(diào)節(jié)電動機定子的平均電壓就可以調(diào)節(jié)電動機的速度。

直接驅(qū)動電機的速度調(diào)節(jié)范圍被設(shè)計為每分鐘10～200轉(zhuǎn)，在傳動設(shè)備的應(yīng)用中，對動態(tài)特性的要求并不高，速度的控制采用了PI控制算法。為了更好地對電機的速度進(jìn)行控制，系統(tǒng)將會根據(jù)電機的運行狀態(tài)，運用不同控制算法。

1）積分調(diào)節(jié)PI控制 當(dāng)電機處于啟動加速、減速停止或正/反轉(zhuǎn)切換階段時，系統(tǒng)的速度控制偏差e(t)將會很大，容易造成PI運算的積分積累過快，從而引起速度的超調(diào)和振蕩。因此有必要根據(jù)速度的控制偏差和不同的負(fù)載狀態(tài)改變PI調(diào)節(jié)器的積分參數(shù)；

2）積分遇限削弱PI控制 任何時候控制器還會根據(jù)上一次的PI調(diào)節(jié)器的輸出來決定當(dāng)前的PI調(diào)節(jié)器的積分動作。當(dāng)上一次的PI調(diào)節(jié)器輸出已經(jīng)正向飽和時，則只有負(fù)的速度控制偏差會被積分；反之，只有正的速度控制偏差會被積分。

這兩種控制算法的應(yīng)用都是根據(jù)電機的運行狀態(tài)進(jìn)行的，一個由運行狀態(tài)和速度控制偏差共同決定的PI控制算法的積分參數(shù)運算模塊被應(yīng)用在PI調(diào)節(jié)器中，速度的PI調(diào)節(jié)器將更智能化，調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

F4: PI調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)

載頻擺動 為降低驅(qū)動器的開關(guān)損耗和提高EMC性能，降低IPM的開關(guān)載頻是有效的。然而低于8KHZ的載頻將會由電機產(chǎn)生單調(diào)刺耳的音頻噪聲，往往會造成聽覺疲勞和損傷。

隨機脈沖寬度調(diào)制(RPWM)是一種有效的解決方法，它改變了電力傳送中能量頻譜的分布方式，將以固定載頻傳送時確定的離散的諧波能量分布改變?yōu)槟芰康慕七B續(xù)的頻譜分布。

系統(tǒng)使用ATmega88中的定時器/計數(shù)器1的快速PWM模式，相當(dāng)于邊緣對齊的PWM，可以同時改變PWM頻率和占空比。如果將載頻在一定范圍內(nèi)隨機進(jìn)行變換，而PWM的占空比不變，就可以達(dá)到隨機脈沖寬度調(diào)制的效果，將刺耳的噪聲改變?yōu)榻频陌自肼暋?

驅(qū)動器基準(zhǔn)載頻f1和輸出載頻fout的關(guān)系表達(dá)如下： fout = f1*(1+Δ)

其中Δ為載頻擺動因子，Δ的隨機取值范圍越大，載頻擺動帶來的效果越好。設(shè)計中驅(qū)動器的基準(zhǔn)載頻f1為5KHZ，Δ為0～0.5,輸出載頻fout在5KHZ～7.5KHZ之間擺動。軟件通過隨機函數(shù)獲得Δ，然后通過簡單運算獲得PWM頻率和占空比參數(shù)。MCU具有雙緩沖的輸出比較寄存器，在下一次定時器溢出后將自動裝入新的PWM頻率和占空比參數(shù)，產(chǎn)生無干擾脈沖，相位正確的PWM輸出。

結(jié)語

一體化直驅(qū)電機的驅(qū)動器以高可靠性、小型化和人性化為設(shè)計目標(biāo)，借助微控制器和可編程邏輯器件的高度智能化和可重塑性，以及IPM的高可靠性，使一體化直驅(qū)電機的競爭優(yōu)勢得到充分展現(xiàn)；用戶接口的進(jìn)一步擴展和轉(zhuǎn)子定位精度的進(jìn)一步提高，將有可能使一體化直驅(qū)電機進(jìn)行互聯(lián)而網(wǎng)絡(luò)化，實現(xiàn)電子齒輪和電子凸輪的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

1． 直流無刷電動機原理及應(yīng)用.張琛.機械工業(yè)出版社

2． ATmega88/V Data_sheet. Atmel Corporation

3． ispMACH 4A Data_sheet. Lattice Semiconductor Corporation

4． SSM1003MA規(guī)格書. SANKEN ELECTRIC CO.,LTD